Indledning
Denne artikel tilbyder en dybdegående udforskning af varmeelementer. Ved at dykke ned i følgende aspekter, læserne får en grundig forståelse:
Indholdsfortegnelse
Opvarmningselementer
1: Optrævling af varmeelementet
Et varmeelement er et bemærkelsesværdigt materiale eller en enhed, der omdanner elektrisk energi til varme via en proces kendt som Joule-opvarmning. Når en elektrisk strøm løber gennem en leder, elektronerne eller ladningsbærerne kolliderer med lederens atomer eller ioner. Disse kollisioner på atomniveau genererer friktion, som viser sig som varme. Denne varmeproduktion er kvantificeret af Joules første lov (eller Joule-Lenz lov), udtrykt som enten eller ². Her, mængden af genereret varme afhænger af strømmen, spænding, og lederens modstand. Modstand spiller en central rolle i design af varmeelementer.
Joule-opvarmning forekommer i varierende omfang i alle ledende materialer, med undtagelse af superledere. Materialer med lav elektrisk modstand har en tendens til at producere mindre varme, da ladningsbærere flyder mere frit gennem dem. I modsætning hertil, dem med høj modstand genererer mere varme. Superledere tillader elektrisk strøm at passere uden nogen varmeproduktion. Typisk, den varme, der genereres af ledere, betragtes som et energitab, som den uønskede opvarmning i elektrisk udstyr kendt som kobbertab, som ikke bidrager til nyttigt arbejde.
Elektriske varmeelementer er yderst effektive til at omdanne elektrisk energi til varme, med næsten 100% af den tilførte energi omdannes til termisk energi. De kan også udsende energi i form af lys og stråling. Imidlertid, denne ideelle effektivitet vedrører hovedsageligt modstande. Mindre tab kan forekomme på grund af materialets iboende kapacitans og induktans, som omdanner elektrisk energi til henholdsvis elektriske og magnetiske felter. Desuden, den samlede systemeffektivitet kan påvirkes af varmeafledning til det ydre miljø fra procesvæsken eller selve varmeren. Således, for optimal udnyttelse af den genererede varme, et velisoleret varmesystem er afgørende.
2: Egenskaber, der definerer varmeelementer
Næsten alle ledere producerer varme, når en elektrisk strøm passerer gennem dem, alligevel er ikke alle egnede til brug som varmeelementer. Det ideelle varmeelementmateriale skal have en specifik blanding af elektrisk, mekanisk, og kemiske egenskaber.
Resistivitet: At generere varme, varmeelementet kræver tilstrækkelig elektrisk modstand. Imidlertid, den skal ikke være så høj, at den bliver en isolator. Elektrisk modstand beregnes som resistiviteten ganget med længden af lederen divideret med lederens tværsnit. For et givet tværsnit, et materiale med høj resistivitet anvendes, når der ønskes en kortere leder.
Oxidationsmodstand: Varme fremskynder generelt oxidation i både metaller og keramik. Oxidation kan forbruge varmeelementet, reducere dens kapacitet eller kompromittere dens struktur, derved begrænse dens levetid. Til metalliske varmeelementer, legering med en oxiddanner hjælper med at danne et passivt lag for at modstå oxidation. Keramiske varmeelementer har almindeligvis beskyttende oxidationsbestandige skæl som SiO₂ eller Al2O3. Nogle varmeelementtyper, såsom grafit, er ikke egnede til brug i oxiderende miljøer og bruges typisk i vakuumovne eller dem med ikke-oxiderende atmosfæregasser som H₂, N2, Ar, eller han, hvor varmekammeret evakueres for luft.
Temperaturmodstandskoefficient: Materialets resistivitet ændres med temperaturen. I de fleste dirigenter, efterhånden som temperaturen stiger, det samme gør modstanden. Dette fænomen har en mere udtalt effekt på visse materialer. En højere temperaturmodstandskoefficient anvendes ofte i varmefølende applikationer. Til varmeudvikling, en lavere værdi er normalt at foretrække. Imidlertid, i nogle tilfælde, hvor ændringen i modstand kan forudsiges nøjagtigt, en kraftig forøgelse af modstanden kan være fordelagtig for at levere mere kraft. For at tage højde for den ændrede resistivitet, kontrol- eller feedbacksystemer anvendes.
Mekaniske egenskaber: Stive varmeelementer kan deformeres, når de bruges ved høje temperaturer. Når materialet nærmer sig sin smeltede eller omkrystallisationsfase, det svækkes og deformeres lettere sammenlignet med dets tilstand ved stuetemperatur. Et godt varmeelement kan bevare sin form selv ved høje temperaturer. Derudover, duktilitet er en ønskelig mekanisk egenskab, især til metalliske varmeelementer. Det gør det muligt at trække materialet ind i tråde og formes til form uden at ofre dets trækstyrke.
Smeltepunkt: Udover den temperatur, hvor oxidationen stiger markant, materialets smeltepunkt begrænser også dets driftstemperatur. Keramik har generelt højere smeltepunkter end metalliske varmeapparater.
Førende producenter og virksomheder af varmeelementer inkluderer Backer Hotwatt, Inc., Ulanet™, Hi-Heat Industries, Inc., Tutco-Farnam, og National Element, Inc. (Du kan føre musen hen over virksomhedsnavnene for at se deres forhåndsvisninger.)
3: Materialer, der anvendes i varmeelementer
De tidligere omtalte materialeegenskaber indsnævrer udvalget til flere nøglematerialer.
Nikkel-krom (Ni-Cr) Legering: Blandt de mest almindeligt anvendte materialer til varmeelementer, nikkel-chrom legeringer er værdsat for deres duktilitet, høj resistivitet, og modstandsdygtighed over for oxidation selv ved høje temperaturer. Typisk sammensat af 80% nikkel og 20% krom (selvom andre sammensætninger kan være tilgængelige fra forskellige producenter), disse legeringer formes ofte til tråde til brug som varmeelementer, såsom i hot-wire skumskærere. De kan nå maksimale opvarmningstemperaturer på ca 1,100 til 1.200°C.
Jern-krom-aluminium (Fe-Cr-Al) Legering: Ofte kendt under varemærket Kanthal, ferritiske jern-krom-aluminium-legeringer består normalt af 20 til 24% krom, 4 til 6% aluminium, med jern, der udgør resten. Disse legeringer foretrækkes for deres smidighed og lavere densitet sammenlignet med nikkel-chrom legeringer. De kan opnå højere temperaturer, når rundt 1,300 til 1.400°C. Selvom de har tendens til at være billigere på grund af den lavere prisvolatilitet på jern sammenlignet med nikkel, de har reduceret styrke ved forhøjede temperaturer sammenlignet med nikkel-chrom legeringer. De kan forbedres gennem pulvermetallurgi, hvor legeringsbarren formales til et pulver, komprimeret til en matrice, og sintret eller varmpresset i en kontrolleret atmosfære. Dispersoider tilsættes for at forbedre de mekaniske egenskaber, øget styrke og sejhed ved højere temperaturer.
Molybdæn disilicid (MoSi₂): En ildfast cermet (en keramisk-metallisk komposit), molybdændisilicid bruges overvejende som et varmeelementmateriale. Det er velegnet til højtemperaturovne på grund af dets høje smeltepunkt og fremragende korrosionsbestandighed. MoSi₂ varmeelementer fremstilles ved forskellige energikrævende metoder, inklusive mekanisk legering, forbrændingssyntese, stødsyntese, og varm isostatisk presning. De kan nå temperaturer op til 1.900°C. Imidlertid, de har ulemper såsom lav sejhed ved omgivelsestemperaturer og modtagelighed for krybning ved høje temperaturer. Ved stuetemperatur, MoSi₂ er skørt og kræver omhyggelig håndtering. Sejheden forbedres betydeligt ved dens skøre-duktile overgangstemperatur på omkring 1.000°C, men en højere krybehastighed kan forårsage deformation ved høje temperaturer. Det mest almindelige MoSi₂-elementdesign er 2-skaftet hårnåle, som ofte er ophængt fra ovnens tag og placeret rundt om ovnens vægge. Andre konfigurationer er tilgængelige og kombineres ofte med keramiske isoleringsdannere for at give både mekanisk støtte og termisk isolering i en enkelt pakke.
Siliciumcarbid (SiC): Siliciumcarbid-varmeelementer er fremstillet af keramik fremstillet ved omkrystallisering eller reaktionsbinding af SiC-korn ved temperaturer over 2.100°C. Disse elementer er typisk porøse (8-25%) tillader ovnatmosfæren at interagere gennem materialet. Over tid, varmeelementet kan undergå en gradvis oxidation, som øger dens elektriske modstand i en proces kendt som “aldring.” For at opretholde ensartet strømudgang, en variabel spændingsforsyning bruges ofte til at øge spændingen gradvist, efterhånden som elementet ældes. Denne ældningsproces begrænser til sidst varmeelementets levetid og ydeevne. Siliciumcarbid er ideel til højtemperaturapplikationer på grund af flere nøgleegenskaber. Den mangler en flydende fase, hvilket betyder, at det ikke synker eller deformeres på grund af krybning ved høje temperaturer, og ingen indvendige understøtninger er nødvendige i ovnen. SiC sublimerer direkte ved omkring 2.700°C, gør den velegnet til ekstreme forhold. Derudover, det er kemisk inert over for de fleste procesvæsker, har høj stivhed, og en lav termisk udvidelseskoefficient. Siliciumcarbidvarmere kan opnå temperaturer på ca 1,600 til 1.700°C.
Grafit: Grafit, et mineral med en sekskantet atomstruktur bestående af kulstof, er en fremragende leder af både varme og elektricitet. Det kan generere varme ved temperaturer over 2.000°C. Ved høje temperaturer, dens elektriske modstand øges betydeligt. Det modstår også termiske stød godt og forbliver elastisk uden at blive skørt under hurtige opvarmnings- og afkølingscyklusser. Imidlertid, grafit har en bemærkelsesværdig ulempe: det har en tendens til at oxidere ved omkring 500°C, fører til materialenedbrydning ved længere tids eksponering. Følgelig, grafit varmeelementer er overvejende brugt i vakuum ovne, hvor ilt og andre gasser fjernes fra varmekammeret for at forhindre oxidation af både de smeltede metaller og selve varmeelementet.
Molybdæn, Wolfram, og Tantal: Ildfaste metaller som wolfram og molybdæn udviser egenskaber svarende til grafit, når de bruges som varmeelementer. Blandt disse metaller, wolfram kan fungere ved de højeste temperaturer, men er også den dyreste. Molybdæn, mens det er billigere og mere almindeligt brugt, er stadig dyrere end grafit. Som grafit, disse metaller skal bruges under vakuumforhold, fordi de har en stærk affinitet for ilt, brint, og nitrogen. De begynder at oxidere ved temperaturer mellem 300 til 500°C.
Positiv termisk koefficient (PTC) Materialer: Typiske PTC-materialer omfatter gummi og keramik. PTC-gummi er almindeligvis fremstillet af polydimethylsiloxan (PDMS) infunderet med kulstofnanopartikler. PTC-varmere er kendetegnet ved deres evne til at regulere strømstrømmen gennem en stigning i elektrisk modstand, når temperaturen stiger. Denne egenskab gør dem sikre og velegnede til anvendelser som f.eks. tøj. Indledningsvis, varmeren trækker fuld effekt og varmer op på grund af dens resistivitet. Efterhånden som temperaturen stiger, materialets modstand vokser, til sidst fungerer som en isolator. Denne selvregulering sker uden behov for en ekstern feedback-loop.
4: Typer af varmeelementer
Et varmesystem omfatter mere end blot varmelegemet. Det omfatter også opsigelser, fører, isolering, pakning, skede, og sæler. Varmeapparater kommer i forskellige former og konfigurationer for at imødekomme specifikke applikationsbehov.
Luftprocesvarmere: Som navnet antyder, disse varmelegemer bruges til at opvarme strømmende luft. De består af et opvarmet rør eller rør, med den ene ende til indføring af kold luft og den anden ende som den varme lufts udgang. Spoler af varmeelementer, isoleret med keramik og ikke-ledende pakninger, placeres langs rørets vægge. De bruges typisk i højflow, lavtryksanvendelser såsom varmekrympning, laminering, klæbemiddelaktivering eller hærdning, tørring, bagning, etc.
Patronvarmere: I denne type, modstandstråden er viklet om en keramisk kerne, normalt lavet af komprimeret magnesiumoxid. Rektangulære konfigurationer er også tilgængelige, hvor modstandstrådsspolerne passerer tre til fem gange langs patronens længde. Modstandstråden eller varmeelementet er placeret nær væggene af beklædningsmaterialet for maksimal varmeoverførsel. Skeden er normalt lavet af korrosionsbestandige materialer som rustfrit stål for at beskytte det indre. Ledningerne er normalt fleksible, med begge afslutninger placeret i den ene ende af patronen. Patronvarmere bruges til opvarmning af matrice eller form, væskeopvarmning (elpatron), og overfladevarme.
Rørvarmere: Det indre af rørformede varmelegemer ligner dem i patronvarmere. Den største forskel er, at ledningsterminalerne er på de modsatte ender af røret. Hele den rørformede konstruktion kan bøjes i forskellige former for at passe til den varmefordeling, der kræves af rummet eller overfladen, der skal opvarmes. De kan også have finner, der er mekanisk bundet til kappens overflade for at hjælpe med effektiv varmeoverførsel. Rørvarmere er lige så alsidige som patronvarmere og bruges i lignende applikationer.
Båndvarmere: Designet til at vikle omkring cylindriske metaloverflader eller beholdere såsom rør, tønder, trommer, ekstrudere, osv., Båndvarmere har boltede låseflige for sikkert at klemme fast på overfladen af beholderen. Inde i bandet, varmelegemet er en tynd modstandstråd eller et bånd, der typisk er isoleret af et glimmerlag. Beklædningen er lavet af rustfrit stål eller messing. En fordel ved båndvarmere er, at de indirekte opvarmer væsken inde i beholderen, forhindrer varmeren i at blive udsat for kemisk angreb fra procesvæsken og forhindrer også mulig antændelse, når den bruges til olie- og smøremiddelservice.
Stripvarmere: Disse varmelegemer er flade og rektangulære i form og er boltet på overfladen, der skal opvarmes. Deres indre ligner båndvarmere, men isoleringsmaterialet, bortset fra glimmer, kan være keramik som magnesiumoxid og glasfiber. De bruges typisk til overfladeopvarmning af matricer, forme, plader, tanke, kanaler, etc. De kan også bruges til luft- eller væskeopvarmning ved at have ribbede overflader. Finnede strimmelvarmere ses i ovne og rumvarmere.
Ætsede folievarmere: Også kendt som tyndfilmvarmere, ætsede folievarmere har det resistive varmemateriale ætset og bundet til en folie, normalt lavet af aluminium. Hvis der kræves mere fleksibilitet og rivemodstand, substratet kan også være lavet af varmebestandigt syntetisk gummi eller termoplastisk polyurethan (TPU). Den snævre afstand mellem varmeelementerne, en fordel ved fotokemisk ætsning, muliggør jævn varmefordeling med en større varmetæthed i små former. Deres applikationer er mere specialiserede sammenlignet med konventionelle trådvarmere og ses normalt i medicinsk udstyr, elektronik og instrumentering, rumfart, og tøj. Den ene side kan fores med et klæbende lag for nem montering.
Keramiske varmelegemer: Disse varmeapparater bruger keramik med højt smeltepunkt, høj termisk stabilitet, høj temperatur styrke, høj relativ kemisk inerthed, og lille varmekapacitet. Bemærk, at disse er forskellige fra keramik, der bruges som isoleringsmateriale. På grund af deres gode varmeledende egenskaber, de bruges til at lede og distribuere varme fra varmelegemet. Bemærkelsesværdige keramiske varmelegemer er siliciumnitrid og aluminiumnitrid. De bruges almindeligvis til hurtig opvarmning, som det ses på gløderør og tændere. Imidlertid, når de udsættes for hurtige opvarmnings- og afkølingscyklusser ved høje temperaturer, materialet er tilbøjeligt til at revne på grund af træthed forårsaget af termiske spændinger. En speciel type keramiske varmelegemer er en PTC-keramik, som kan selvregulere sit strømforbrug for at forhindre den i at blive rødglødende.
Keramiske fibervarmere: I denne type varmelegeme, den keramiske fiber bruges som en isolator til at koncentrere varmen i overfladen, der skal opvarmes for at forhindre systemtab. En modstandstråd er viklet på den ene side af den keramiske fiberpude, og denne side er bundet til overfladen, der skal opvarmes, som kan nå op til 1.200°C.
5: Faktorer, der skal overvejes, når du vælger et varmeapparat
Selvom varmeelementer generelt fungerer efter samme princip, deres ydeevne og levetid påvirkes af flere faktorer. Nøglespecifikationer for varmelegemer omfatter effekt eller watt, maksimal driftstemperatur, type procesvæske, kappe materiale, og strømforsyning (spænding og frekvens). Derudover, faktorer som væskeflow og temperaturkontrol skal også overvejes for at optimere ydeevnen.
Watt tæthed: Watt-tæthed er den varme, der leveres af et varmeelement pr. arealenhed. Den passende watt-tæthed skal vælges til en specifik anvendelse for fuldt ud at udnytte varmerens levetid. For en given watt, både høj- og lavdensitetsvarmere vil levere den samme mængde varme, men ved forskellige temperaturer. Højdensitetselementer kan nå meget højere temperaturer, hvilket kan føre til for tidlig forbrænding eller svigt af elementet. Ved valg af varmelegeme, det er vigtigt at kontrollere producentens anbefalede watt-densiteter til en bestemt anvendelse.
Temperatur: Måldriftstemperaturen påvirker direkte watt-tætheden. Der skal være en balance mellem disse to faktorer. Ved design af en procesvarmer, temperaturen bestemmes normalt først, da det er en procesparameter, der kræves af systemet.
Strømforsyning: Varmelegemet skal kunne fungere med den tilgængelige strømforsyning. Kontroller spændingen, som typisk er 120V eller 240V. Når du vælger en måleffekt, kontrollere den producerede strømstyrke. Vær forsigtig med ikke at overskride strømforsyningsafbryderens udløsningspunkt eller strømkablernes klassificeringer.
Væskeflow: Intuitivt, stillestående væsker er lettere at opvarme med en kontrolleret temperatur end strømmende væsker. Luft eller andre gasser absorberer generelt ikke varme hurtigt på grund af deres lave densitet. For at tage fat på dette, varmeapparater med store overfladearealer er påkrævet. Finnede overflader og lange trådspoler (lavdensitets varmeelementer) er almindelige træk ved luftvarmere.
Temperatursensorplacering: Konventionelle varmelegemer leveres med en temperaturføler og en controller. I de fleste applikationer, føleren måler kun temperaturen på procesvæsken. Imidlertid, dette repræsenterer normalt ikke den faktiske varmelegemetemperatur. Før du installerer varmelegemet og temperaturføleren, det er afgørende at kontrollere, om dens placering er passende for varmeenheden. Hvis sensoren er for langt, den reflekterede temperatur kan være meget lavere på grund af varmeafledning og lav varmeoverførselshastighed. Dette kan føre til meget høje temperaturer, der kan brænde varmeelementet.
Korrosion: Korrosion kan stamme fra procesvæsken eller det ydre miljø. Beklædningsmaterialet beskytter varmeelementet, fører, og isolatorer fra kemiske angreb. Således, kappen skal kunne bevare sin styrke ved høje temperaturer og samtidig være modstandsdygtig over for korrosion. Udbredte beklædningsmaterialer er rustfrit stål, messing, kobber, og andre specielle legeringer såsom Monel og Incoloy. Desuden, integriteten af kappen og terminalforseglingen skal være tilstrækkelig til anvendelsen. Til krævende applikationer, hermetisk forsegling er den bedste mulighed for at give fuldstændig beskyttelse mod procesvæsken.
Konklusion
Et varmeelement er et materiale eller en enhed, der omdanner elektrisk energi til varme eller termisk energi gennem princippet om Joule-opvarmning. De afgørende egenskaber ved et varmeelement omfatter tilstrækkelig resistivitet, høj oxidationsmodstand, lav temperatur modstandskoefficient, høj sejhed, og højt smeltepunkt. Udbredte varmeelementer er nikkel-chrom legeringer, jern-chrom-aluminium legering, molybdæn disilicid, og siliciumcarbid, efterfulgt af grafit og andre ildfaste metaller med generelt højere oxidationshastigheder. Udover varmeelementet, et varmelegeme omfatter afslutninger, fører, isolering, pakning, skede, og sæler. Disse varmelegemer kommer i forskellige former og konfigurationer, der passer til bestemte applikationer. Typiske bestillingsspecifikationer for varmelegeme involverer effekt eller watt, maksimal driftstemperatur, type procesvæske, kappe materiale, og strømforsyning (spænding og frekvens).
